外科手术模拟2013 正颌手术虚拟手术规划与模拟的思考——叙述性评论 FOMM 杂志文章精选

《口腔颌面医学前沿》（《 of Oral and 》，简称FOMM杂志，现为季刊）由上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海交通大学于2019年5月联合创办口腔医学院和AME出版社。 它是一本开放获取、同行评审的国际英文医学期刊，旨在为国内外同仁提供一个涵盖口腔颌面疾病领域最新研究、前沿知识和实践经验的国际专业平台。 FOMM杂志由邱伟六院士、张芝芝院士担任名誉编辑，郑家伟教授担任主编，张晨平教授担任副主编。

为了进一步活跃学术氛围，促进口腔颌面医学事业的发展，为国内读者提供更加便捷的学术交流平台，促进《FOMM》杂志的发展，经编委会讨论决定，《FOMM》杂志将于AME科研时间平台定期发布中文版文章。 今天我与大家分享的是《正颌手术中虚拟手术规划与模拟的思考——叙述性回顾》。

对正颌手术中虚拟手术规划和模拟的思考——叙述性回顾

权泰建、李成泽、崔素英、金振旭

韩国大邱的口头和 、 、

译者:石玉林; 审稿人：于洪波

权 TG、李 ST、崔 SY、金 JW。 对于并在 -a 中。 口腔医学前沿 2020；2:27。

概括：

背景和目的：尽管使用3D虚拟手术规划（VSP）进行正颌手术有很多好处，但关于VSP和模拟过程中可能出现的不准确或错误的报道很少。 这篇叙述性综述更新了关于VSP的知识，并讨论了VSP在正颌手术中的一些注意事项和注意事项。

方法：在本次综述中，使用以下主题词进行数据库搜索：、、-、-aided、、CAD-CAM。 检索日期为2000年1月至2020年4月，选取全文文献进行审查。

主要内容及发现：应用VSP可以可视化不同骨段之间的关系、骨段之间的重叠和干扰以及明显的骨段间隙。 手术前可以预测骨移植的位置和大小。 此外，术前计划可以没有时间限制。 由于大多数 VSP 是由外包公司执行，VSP 的质量保证取决于第三方，有时在定义手术结果方面没有明确的责任。 为了提高3D规划和模拟的准确性，外科医生需要清楚地意识到VSP并不能确保成功的手术结果。 每个步骤都可能出现错误，例如将 3D 牙科模型与头骨数据融合、骨段识别和移动、计算机辅助手术模拟、板制作、3D 图像叠加以及虚拟空间中咬合关系的确定。

结论：彻底了解VSP误差来源可以使VSP正颌手术获得良好的手术效果。

关键词：虚拟手术规划（VSP）模拟； 正颌手术； 三维 (3D)

前言

对于患有咬合不正等面部畸形的患者来说，手术计划和手术结果的预测是成功正颌手术的术前准备的最重要要素。 根据术前手术计划，需要将截骨块和牙列正确移动到所需的3D空间位置。 因此，强调术中精确控制和截骨块的精确移动非常重要。 目前，计算机辅助虚拟手术规划（VSP）已广泛应用于各个学科，常用于口腔颌面外科，尤其是正颌外科领域[1-4]。 与之前经典的二维规划或颌架模型手术[4,5]相比，三维VSP被广泛接受并已成为主流的治疗规划手术。 VSP 用于正颌手术的准确性和可行性在文献中有详细记录 [6-9]。 使用计算机进行手术规划，可以对上颌骨或下颌骨进行虚拟分割，并且可以重新定位截骨段，从而可以根据计划在水平、垂直和横向六个方向上进行精确移动。 同时可以可视化骨段之间的关系、骨段的重叠或干涉、明显的骨段间隙等，提前预测需要植骨或去骨的部位。 另一个优点是术前计划可以在不受限制的时间范围内进行。

技术进步不仅可以虚拟地规划手术，还可以在手术过程中利用 3D 计算机辅助设计/制造 (CAD/CAM) 系统生成的手术导板。 尽管存在一些细微的技术差异，但每个研究所都开发了 3D VSP 的技术流程。 总的来说，该过程由几个步骤组成：

1. 获取计算机断层扫描（CT）图像或锥形束计算机断层扫描（CBCT）图像的面部结构以及扫描的上颌和下颌牙列模型；

2. CT图像分割、融合并与3D牙科图像叠加以进行虚拟规划；

3. 根据诊断和外科医生的手术计划实施虚拟规划；

4、利用CAD/CAM制作手术导板；

5、手术导板的术中应用——手术计划的术中传递；

6. VSP术后验证与术后实际结果的比较[1,10,11]。

最近，手术导板与预成型钛板 [12] 或患者特定的 3D 打印钛板 [13] 一起使用，带或不带中间板 [14]。

由于部分截骨在上颌骨中移动的角度和方向非常复杂，3D规划和模拟对于精确的手术设计非常有帮助。 既往研究表明，VSP 的准确性在上颌整体截骨术 [15-18] 或分段截骨术 [19-24] 中是可以接受的。 之前的许多文献都强调了使用不同软件和硬件的 3D 规划系统的准确性。 然而，对 3D 技术的热情有时会低估或忽视虚拟规划中潜在的错误来源。 此外，对正颌手术虚拟规划的系统回顾表明，虽然没有报告利益冲突，但由于与 3D 软件开发的应用相关的成本可能增加，一些研究中存在利益偏差的风险 [7]。

在这篇叙述性评论中，研究建议纳入定量数据以减少发表偏见。 由于 VSP 用于口腔颌面部区域，我们还回顾了有关 VSP 重要概念或解释手术过程的文献。

尽管在正颌手术中使用 3D VSP 有很多好处，但关于 VSP 以及模拟过程中可能遇到的潜在错误的报道却很少。 本次审查的关键问题是： (1) VSP 流程中的哪个环节可能是错误来源？ (2) 内部VSP和外包VSP有什么区别？ 为了回答这两个问题，本综述旨在更新VSP的相关信息，并讨论VSP在正颌手术中的各种考虑和注意事项。

我们根据评论列表提供以下文章。 （在）

方法

在数据库中搜索以下关键词：正颌手术、计算机辅助、计算机帮助、虚拟规划、CAD-CAM。 包括2000年1月至2020年4月发表的英文文献。选择全文研究并进行评论。

讨论

计算机化手术计划在正颌手术中的优势

VSP有利于治疗效果的定量分析，并为正颌手术提供更高的准确性[6]。 因此，正颌手术的计算机规划和模拟可以使外科医生进行更准确、更高效的正颌手术[8,25]。 基于VSP的正颌手术具有多种优点。

首先，VSP 能够对各种畸形进行更准确和定量的分析，这是以前通过 2D 头影测量分析无法实现的。 正颌手术的计算机化规划使外科医生能够对手术区域的解剖结构进行全面评估。 对于不对称的患者，VSP可用于诊断术前问题，预测术后截骨段的3D位置，进而预测术后仍然存在的不对称性[26]。 同时，术后牙齿失代偿的需要也可以直观地看到，过度矫正的程度可以提前在VSP中反映出来[1]。

VSP的另一个优点是可以进行微创手术。 VSP中的截骨线与术中真实截骨位置几乎相同。 在有问题的情况下，多次重复虚拟手术模拟以获得最佳结果可以最大限度地减少手术错误，并使外科医生能够准确地重新制定手术计划。 同时，外科医生可以预测潜在的术中问题，以减少并发症。

此外，住院医生还可以参加手术计划会议，并对计划中的手术有更深入的了解。 患者可以充分了解手术信息，更容易了解手术并发症。 VSP 对于患者和医学生的教育非常重要。

手术结果的验证可以通过术后评估来进行。 由于与手术计划和术后结果相关的所有数据都存储在数据库中，这些不断积累的定量随访数据将有助于完善治疗计划或实施进一步治疗的技术创新。

计算机辅助规划和手术应用中潜在的错误来源

由于虚拟手术或颌架模型手术中模拟的上颌位置对实际手术效果影响较大，因此中间板非常重要，这一核心步骤可以决定手术的准确性（图1）。 传统的基于颌架的模型手术步骤较多，出错的可能性很高。 取模、咬合记录、面弓转移、上颌重新定位以及在颌架上制作板等步骤都可能是误差源（图 2）。 但VSP并不能完全保证手术的准确性。 计算机化手术计划步骤存在多方面的错误； 例如，头部定位、3D 数据集成、骨段定位以及立体光刻格式 (STL) 的板制造过程。

图1 双颌手术中间板的计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）生产

(A) 在虚拟空间中配准激光扫描牙科模型数据和锥束 CT 数据。 (B) 根据手术计划重新定位上颌骨。 (C) 虚拟制造的中间板和 3D 打印板。 (D) 上颌和下颌复合体的模拟定位。

图2 经典颌骨模型手术与虚拟模型手术潜在误差对比

3D 数据集成和融合中的错误

将不同成像技术获得的牙列和骨骼三维数据整合在同一虚拟空间中以创建三维虚拟牙齿-面部-骨骼模型非常重要。 由于患者通常佩戴正畸托槽、金属修复体和假牙，因此它们在 CBCT 图像中造成的金属伪影是一个重要问题 [27]。 因此，通常使用激光表面扫描记录牙列，然后将图像与骨 CT 扫描融合。 据报道，许多最新技术可以克服放射线伪影对上颌和下颌牙列整合的影响。 多次扫描[28,29]、基准标记[19,30-32]、配准模块[19,33]、表面匹配[34-37]、基于体素的配准[29]或使用多种方法组合的专用算法[ 38]提出提高牙列和骨骼三维数据集成的准确性。 目前，三维规划软件中经常使用点或面配准功能[39]。 牙弓信息的STL文件格式是3D模拟软件中常用的格式。

配准过程是：(1) 匹配彼此靠近的对应参考点，(2) 使用基于区域表面的配准（3D 和 MPR 图像），以及 (3) 验证配准精度（图 3）。 然而，其他因素仍然需要关注； 例如，（一）获取牙模或口内扫描与获取CBCT图像之间的时间间隔，因为术前正畸可能会引起牙齿移动的变化； （二）牙模型的咬合关系（中心关系或中心位置）。 将单个上颌或下颌牙齿模型数据完美融合并配准到CBCT并不容易，但以目前的技术，该误差在临床上是可以接受的。

图 3. 3D 牙科模型数据和三维锥形束 CT (CBCT) 数据融合和配准的步骤。 三维齿颌模型可以使用基于一系列点的匹配（A）和基于局部表面的配准（B）来构建。 比较原始 CBCT 图像的骨骼模型（C），首先将牙弓信息合并到 3D CBCT 骨骼结构中（D），最后完成配准的牙齿上颌数据（E）。

虚拟规划过程中头部位置和骨段定位的错误

头部位置对于整个虚拟手术规划非常重要。 垂直方位参考标志或咬合平面对于上颌节段运动特别重要（图 4）。 此外，虚拟手术运动的三维参考平面应与手术前后的真实头部位置一致。 否则无法在 3D VSP 中完成验证。 3D 参考平面通常由多个解剖标志点定义，例如 's 平面 [40]。 自然头位也可用于 VSP，但由于重复性差 [41] 以及下颌后退 [42] 或前移手术 [43] [43] 后的变化而具有一定的局限性。

图4 头部位置设置在VSP中非常重要。 在开始移动骨碎片之前必须确认患者的头部位置。 用于计划骨碎片移动的参考平面因患者而异。

确定三维虚拟空间中的头部位置后，对目标结构进行裁剪，清除伪影或不必要的三维结构，进行虚拟截骨，并对各个骨段进行分割[11]。 在VSP过程中，需要仔细确认中线偏差、上颌横滚、俯仰、偏转角度以及前后/垂直/侧向矫正的矫正情况。 常用的商业软件有：O&O®（）、®（NV，比利时鲁汶）、®（以及美国加利福尼亚州查茨沃斯）、®（）以及个别机构或当地公司开发的各种软件。 其他软件程序。 据夏炯等人研究。 （2015），建议按一定顺序执行VSP：首先校正中心线，然后校正侧倾角和偏转角、垂直位置、俯仰位姿和水平位置调整[11]。 其他机构提出了一种替代程序，首先从前视图中的中线和侧倾角进行横向校正，然后在侧视图中完成俯仰角校正，最后阶段完成偏航角校正[44]。 该步骤可以根据用户喜好和模块功能在3D虚拟仿真软件中进行修改。

3D VSP 的一个强大优势是能够准确地可视化骨碎片的预期位置（图 5）。 在 VSP 期间，骨间干扰很容易识别。 在手术规划中，下颌骨近端骨段和远端骨段之间的严重骨干扰可以通过矫正上颌骨截骨偏转角度来控制[44]。 例如，对于面部严重不对称的患者，可以计划以上切牙中线为旋转中心进行旋转矫正平面。 因此，可以预期偏斜侧会出现明显的骨间隙。 如果在此位置矫正上颌骨的偏转角度，则可以减小骨段间隙（图6）。 与这种情况相反，通过VSP矫正上颌平面偏斜时，首先要保证中线位置正确。 此时，任何程度的侧倾角修正都可能导致偏转角发生不必要的变化。 因此，在所有计划的运动完成后，需要再次确认截骨段参考点位置的各个x、y、z坐标（图7）。 VSP 可用于预测和管理骨间干扰或间隙，减少手术并发症和手术时间[45]。 严重的骨干扰可以在术前通过 3D VSP 矫正。 然而，虚拟空间中意外的骨骼移动可能会导致手术错误。

图 5 3D 虚拟空间中的骨段运动。 骨段可以移动到虚拟空间中的所需位置（A），移动的位置通过 3D 或 MPR 图像显示（B）。

图6 完成偏转角校正的情况。 以上颌切牙中线为旋转中心进行上颌平面偏斜矫正后，偏斜侧会出现明显的骨间隙（A）。 如果加上上颌偏斜矫正，则可以减小骨间隙（B）。

图7 上颌平面矫正时，右侧上提与左侧下落几乎相同，上颌中切牙中线没有变化（A、B）。 然而，后部偏航角 (Yaw) 的伴随变化可能是不受欢迎的 (B)。

VSP可以避免颌架模型手术潜在的困难[17,46]以及基于传统颌架模型手术的手术不准确性[47]。 例如，当需要降低上颌节或一侧抬起另一侧降低时，肯定会伴随双侧或单侧磨牙过早接触。 因此，传统颌架石膏模型手术很难制作出颞下颌关节位置变化较小的中间板。 然而，在虚拟空间中，通过将双侧髁突头中心连线居中，可以在虚拟空间中实现下颌骨的自动旋转（图8）。

图 8 虚拟旋转下颌骨以减少骨段之间的干扰。 当计划上颌骨 (A) 向下运动时，下颌骨需要围绕 TMJ 旋转以创建中间板 (B)。

正颌手术中手术导板和预制钛板的精度

关于 3D CAD/CAM 板的准确性和可行性的报告有很多。 它目前是正颌外科手术的重要组成部分[6,48-51]。

VSP 可以使用手术导板准确地转移到手术室，手术导板可能包括也可能不包括钢板 [52]。 手术导板在手术过程中有两个目的，即截骨术和重新定位[53]。 目前，使用个性化定制的微型钛板作为手术导板显示出良好的手术精度[54-58]。 最大的优点是手术时间短，但缺点是这些系统的成本较高[54,56]。 以往报告的结果表明，使用CAD/CAM手术导板和个性化定制钛板是正颌手术的一大趋势，可以减少上颌定位时不必要的操作停顿。

正颌手术VSP数字化工作流程内部处理和外包

VSP的3D软件一般安装在医院，手术团队可以在医疗机构设计手术方案。 通过计算机共享或网络连接，整个医院都可以制定手术计划。 住院医师、患者和外科医生都可以轻松访问 3D 手术计划。 这促进了对手术病例的深入讨论，并鼓励对疑难病例提出多种意见，从而最大限度地减少可能的错误。 如果医院拥有专门用于 3D 设计和 CAD/CAM 导板制作的实验室，对外科医生来说将是最有利的。 然而，考虑到3D实验室聘请专家以及运营管理成本等方面的种种障碍，许多机构选择了将VSP工作外包。

在正颌手术中，CAD/CAM 辅助手术规划通常由外包第三方供应商完成。 许多私营公司提供外包VSP服务，例如3D（VSP）[59]、（CMF）[60]、KLS（IPS）[13]或各个国家或地区的其他本地公司。 在制定手术计划的过程中，外科医生会咨询上述公司的 3D 技术人员。 在VSP在线会议中，患者的咬合关系被虚拟登记，外科医生确认最终预期的术后咬合位置。 根据咬合位置和手术计划重新定位截骨术产生的骨段。 因此，在线会议或互动讨论对于缩小外科医生和技术人员之间的认知差距非常重要。

使用外包 VSP 系统对许多诊所来说都有优势。 然而，外包也有其缺点，例如加工成本高、手术前交货时间长、需要多次在线会议或电话来制造 CAD/CAM 板或手术导板。 因此，学者们建议利用组织内部的工作流程来完成VSP[61-63]。 3D打印模型可以在临床医生机构使用商业3D打印机生产，这可以减少准备阶段和交付时间，也可以用于培训住院医师进行3D处理和模拟。 对于外科来说，聘请能够快速工作的3D专业技术人员还是很困难的。

这里审查的研究质量有限，并且可能存在固有的发表偏倚。 由于近年来VSP在正颌手术中的应用热情很高，但很多问题还没有得到真正的筛查。 另外，在以往的文献中，科学证据相对较少，设计良好的随机对照数据也不多。 未来，需要使用更客观的纳入/排除标准和更大量的数据进行研究。

总结

在数字技术时代，VSP在正颌手术中发挥着重要作用。 VSP 在手术中是一个机会而不是风险因素，因为有显着证据表明 VSP 减少了术前准备时间，减少了手术时间，提高了手术准确性，并提高了医生满意度。 计算机化手术计划的最新进展对于治疗牙面畸形患者的外科医生来说非常重要。 了解优缺点、成本和时间效率可以增强对VSP发展趋势的理解，并确定每个医疗机构的最佳选择。

目前，许多组织使用外包公司来进行VSP。 这带来了暴露患者信息和知识资源的固有风险。 这些患者信息对于开发更好的 VSP 也很重要。 此外，VSP 步骤的所有质量保证都依赖于第三方，因此在确定手术结果的责任方面存在灰色地带。 为了克服外包VSP的问题，在医疗机构内部制定手术计划被认为是最容易沟通并减少成本和时间的VSP计划。 然而，这需要根据不同医疗机构的具体情况来决定。

由于影响 3D 规划和模拟准确性的因素有很多，因此外科医生需要意识到 VSP 无法自动确保成功的手术结果。 每一步都可能导致错误。 3D牙列和颅骨数据的整合、骨碎片识别和移动、计算机辅助手术模拟和板制作、3D图像叠加和咬合位置确认都是需要考虑的因素。 无论虚拟手术规划是内部开发还是外包，全面了解VSP过程中的误差来源是成功完成正颌手术的重要保证。

参考

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译者介绍

石玉林，博士。 空军军医大学口腔医院颌面创伤与正颌外科医师。 他是一名主治医师。 发表论文10余篇，完成全国第一批颌面外科专科医师培训，参加各类颅面外科手术。 完成手术2000余例，擅长牙颌面畸形的正颌手术治疗、面部轮廓整形重塑、数字化技术在颌面外科的应用。

回顾介绍

于洪波，上海交通大学医学院附属第九人民医院主任医师、硕士生导师。 主要从事颌面畸形及缺损的重建； 颌骨发育、再生和生物材料； 现任国际AO内固定协会（AO/ASIF）讲师； 中华口腔医学会口腔生物医学专业委员会委员； 中华医学会数字医学分会委员； 上海市口腔医学会口腔颌面外科专业委员会常委、学术秘书； 和一名口头秘书。 基础医学专业委员会委员。 主持科研项目14项，授权专利8项，以第一作者或通讯作者发表论文60余篇，其中SCI收录36篇外科手术模拟2013，参编专着7部。 IJOMS、of 等杂志。 获上海市科技进步二等奖一项，华夏医学奖二等奖一项，上海市浦江人才计划资助。

（本译文仅供学术交流，实际内容请以英文原文为准。）